來自富含木素的大直徑天然纖維的非織造織物複合材料的製作方法

2023-12-01 10:31:16

專利名稱：來自富含木素的大直徑天然纖維的非織造織物複合材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種非織造織物複合材料、其製造方法及其用途。更具體而言，其涉及以下非織造織物複合材料所述非織造織物複合材料含有富含木素的大直徑天然纖維(包括但不限於椰皮纖維(coir fibers))與由熱塑性聚合物製造的纖維的組合，所述非織造織物複合材料諸如聚丙烯並包括由可生物降解的聚合物製造的纖維。授予Mieck和Reussmann的德國專利DE 19711247描述了一種從混紡帶(hybrid band)生產長纖維顆粒的方法。該方法包括將亞麻和大麻混紡帶移動經過200°C預熱區，並將材料牽引經過加熱噴嘴，隨後冷卻。授予Michels和Meister的德國專利DE 4440246描述了一種至少使用熱塑性聚合物作為基質材料和纖維素纖維或單纖維作為增強材料來生產纖維增強複合材料的方法。授予Tanabe美國專利5，948，712描述了一種包含硬纖維和熱塑性纖維的織物。該織物通過以下方式製造在環境壓力下加熱硬纖維和熱塑性纖維，隨後在環境溫度下進行壓模。得到的織物在任何相當大的力下撕裂，但是生產該織物的兩步法是昂貴的。授予Bayer和Koine的德國專利DE 19934377描述了一種生產聚酯加強型聚丙烯化合物的方法，並且涉及含天然材料諸如黃麻、亞麻、大麻或再生纖維素的聚丙烯材料。授予Kitsayama和Yoshinori的德國專利DE 10052693描述了具有天然纖維含量的層壓材料和材料，其集中在汽車內部。描述了以下方法，該方法包括將重量為150g/cm2的材料與黃麻纖維和丙烯纖維混合，隨後進行針刺，並將所得材料於180°C進行烘烤。然而，該方法昂貴而且產生熱塑性材料中心而不是材料均勻分布。美國專利公布2006/0099393描述了一種包括天然纖維的複合熱塑性片材，其中所述片材材料包含用熱塑性樹脂粘合的不連續纖維。授予Mueller等的德國專利DE 10151761描述了一種製造用於高載荷結構材料的半成品纖維加強型熱塑性塑料的方法。描述了一種製造熱塑性材料的方法，其中將含熱塑性基質和長纖維的材料牽引經過罐(pot)以使基質內的纖維定向。隨後用紅外輻射加熱該材料。美國專利公布2007/0116923描述了一種纖維增強型熱塑性樹脂模製物，其中所述纖維含有紡成紗線的亞麻纖維。Wittig和Retzlaff的德國專利公布DE 102004054228描述了將一組部分粘合/ 成形的天然纖維材料製造成人造材料的方法和製品。該公布描述了一種將天然纖維形成單獨的人造功能片的改進方法，所述方法使用膠和在每片中特別設計的通路(opening)。在赤道20°內的國家中，椰子是一種豐富的可再生資源。椰子或椰子實在殼層內生長，殼層為果實提供保護。椰子廣泛用於從白色椰肉(稱為幹椰子肉，如在圖1所見) 生產椰子油。殼層中約50%的生物質為纖維形式，其通常被稱為椰皮纖維(coir或coir fiber)。殼層經常作為廢物被丟棄並焚燒，以溫室氣體和其它汙染物汙染大氣。用天然纖維如來自椰殼的椰皮纖維代替石油基纖維而不是燒掉這些殼使得本新發明對環境非常友好。當前發明的非織造織物複合材料的最大應用之一是用於汽車部件。通過將具有較高粘流溫度(viscous flow temperature)的纖維如聚酯與具有較低粘流溫度的纖維如聚丙烯結合，目前製造了用於後備箱墊、地墊、門板、儀錶板及其它汽車部件的非織造織物複合材料。這兩種纖維均得自石油。本發明涉及用較廉價的富含木素的天然纖維如椰皮纖維代替非織造織物複合材料中具有較高粘流溫度的一些或全部石油基纖維，使得該複合材料更可持續且環境友好，並且提供適當的且在一些情況下優於現在正在使用的PP:PET複合材料的物理和機械性能。使用目前用於製造汽車部件的相同模具和加工設備(與目前用於 PPPET氈化材料大致相同的溫度和壓力)，通過將富含木素的大直徑天然纖維如椰皮纖維與由熱塑性塑料(諸如聚丙烯或聚乙烯)製成的纖維組合製造的非織造織物複合氈化材料可被壓縮模塑成汽車部件，這使得有可能使用本文所述的發明而無縫無障礙地進入用於汽車部件的非織造織物複合材料市場。對於可使用本發明的很多其它行業，這也應當是可行的。本發明的人道主義利益在於其對椰皮纖維產生需求，為其當前通常被燒掉的殼提供一些價值，並因此為一千一百萬非常貧窮的椰農提供額外的收入，他們中的很多人依靠每年不到幾百美元的收入生活。本發明進一步的環境益處在於其將「使用」在世界一些區域豐富的椰皮纖維並避免作為廢物丟棄和焚燒從中提取纖維的椰殼。

發明內容
本發明的一個方面涉及含有富含木素的大直徑天然纖維的非織造織物複合材料以及生產此類複合材料的方法。所述非織造織物複合材料可由具有較高粘流溫度和降解溫度的富含木素的大直徑天然纖維與具有較低粘流溫度的由熱塑性聚合物製成的纖維構成， 所述熱塑性聚合物諸如聚丙烯或可生物降解熱塑性聚合物纖維諸如聚乳酸。用於熱壓該複合材料的加工窗口高於所述熱塑性聚合物的粘流溫度並且是所述天然纖維的降解溫度或粘流溫度中的較低者。用於熱壓椰皮纖維和聚丙烯的方法的例子需要下述步驟(1)從椰殼中取出被稱為椰皮纖維的天然纖維，其具有相對高的降解溫度；( 固定(securing)由再生聚丙烯製成的熱塑性纖維，所述熱塑性纖維的粘流溫度低於椰皮纖維的降解溫度；C3)將纖維切割成25-75mm的長度，但是優選50_75mm的長度；(4)摻合磨碎的50_75mm椰皮纖維與聚丙烯纖維，形成非常柔韌的非織造織物材料氈(或非織造織物材料墊)；以及根據應用，(4)使用模具或平印壓機，在高於聚丙烯纖維的粘流溫度(或熔融溫度)的高溫對該柔性非織造織物材料氈進行熱壓，以形成具有所需形狀的剛性部件或平板。


下面的附圖形成本說明書的一部分並被包括以進一步展示本發明的某些方面。通過參考這些附圖中的一個或多個並結合本文呈現的具體實施方式
的詳述，可以更好地理解本發明。圖1顯示打開的椰子和含纖維的殼，該纖維通常被稱為椰皮纖維；圖2顯示包含椰子的打開的椰殼、殼的一部分和長椰皮纖維，所述長椰皮纖維可磨成約50-75mm的長度，以便被加工成本發明的氈化材料；圖3顯示在摻合之前的短椰皮纖維(左上)和短聚丙烯纖維(左下)，其被梳理並針刺成本發明的氈化材料(右)；圖4顯示目前廣泛使用的由50%聚酯/50%聚丙烯纖維席構成的氈(左)和本發明的由椰皮纖維/聚丙烯纖維構成的氈(右)；圖5顯示在熱壓(其與高溫下的壓縮模塑相同)之前由50wt%椰皮纖維和50wt% 聚丙烯纖維構成的氈化材料，在10X(左)和40X(右)下觀察；圖6顯示由聚酯纖維和聚丙烯纖維製造的非織造織物複合材料(左)以及由椰皮纖維和聚丙烯纖維製造的非織造織物複合材料(右)，每片通過在約207°C和約150psi的壓力下熱壓各自的氈化材料產生。圖7顯示在180°C (左)以及在220°C (右)熱壓非織造織物複合材料氈的差異， 其表明40°C的顯著差異可幹涉PP纖維的流動以及椰皮纖維被PP潤溼的程度；圖8顯示熱壓的門板(上)、熱壓的後備箱墊(中)和熱壓之前的聚酯/丙烯非織造織物複合材料氈(下)。本發明的一個方面將以椰皮纖維取代此類部件中的聚酯纖維；圖9顯示在熱壓之後作為非織造織物複合材料的密度函數的抗張強度，採用溫度與壓力的各種組合以獲得密度範圍；圖10顯示在熱壓之後作為非織造織物複合材料的密度函數的彎曲模量，採用溫度與壓力的各種組合以獲得密度範圍。
具體實施例方式定義如本文使用的術語「天然纖維」指的是得自天然的可再生來源諸如植物或動物的任何連續單纖維(filament)。詞語「纖維(fiber) 」和「纖維(f ibers) 」互換使用。天然纖維可包括但不限於種子纖維諸如棉花和木棉花；葉纖維諸如劍麻和龍舌蘭屬；韌皮纖維或皮纖維諸如亞麻、黃麻、洋麻、大麻、薴麻、藤杖、大豆纖維、藤纖維和香蕉纖維；水果纖維諸如椰子纖維；莖稈纖維諸如小麥麥稈、稻米、大麥、竹子、草和樹木；獸毛纖維諸如綿羊毛、 山羊毛(山羊絨、馬海毛)、羊駝毛、馬鬃；絲綢纖維；鳥纖維諸如羽毛。優選地，本發明中使用的天然纖維應當至少具有中等強度和硬度以及良好的延展性。其還應當對低熔點纖維具有足夠的粘合，或者是表面可處理的，以增加化學相容性以及在天然纖維與熱塑性纖維之間提供適當的粘合。富含木素的天然纖維是特別需要的，優選具有大於約20wt%的木素含量。具有更大直徑的纖維也是優選的，以提供更大的纖維硬度和較低密度的氈化材料以及從該氈化材料壓成的較低密度部件。如本文使用的短語「椰皮纖維」指的是得自椰子樹(Cocos nucifera)的椰殼的任意類型的纖維。如本文使用的短語「具有較高粘流溫度的纖維」和「具有較低粘流溫度的纖維」指的是各纖維的粘度達到適當低的值以致粘性流相對容易發生時的溫度。纖維的降解溫度是纖維開始氧化和降解時的溫度。這不是唯一的溫度但將取決於在溫度下的時間，在高溫下較短的時間導致稍微較高的降解溫度，而在溫度下較長的時間導致較低的降解溫度。在本發明中定義的熱壓非織造織物複合材料的加工窗口將處於熱塑性纖維(其與天然纖維相比必須具有更低的粘流溫度)的粘流溫度和天然纖維的降解溫度或粘流溫度中的較低者之間。一般而言，熱壓使用天然纖維和熱塑性纖維製造的非織造織物複合材料的加工窗口具有加工上限，其為天然纖維的降解溫度(對於天然纖維而言，該溫度通常比粘性流易於發生時的溫度低)，而且下限將取決於熱塑性纖維的粘流溫度，在該粘流溫度時將在特定壓力下發生這些熱塑性纖維的充分流動以粘合天然纖維。如本文使用的短語「非織造織物複合材料」指的是包含兩種或多種既非編織也非針織的纖維的任何材料，也就是說，纖維已進行摻合併鋪設成纏結形式，其中纖維在墊或如通常所稱的氈中隨意定向。50-75mm的長纖維在高溫下通過化學、機械、壓力粘結在一起，而不需要任何表面處理或者在表面處理之後施加壓力和溫度以增強兩種類型纖維之間的粘合。所述複合材料可以以兩種形式存在非常柔韌的氈(或墊)以及通過熱壓(或壓縮模塑)產生的更剛性的形式。所述非織造織物複合材料不應當與由聚合物的連續基質與增強塑料的間斷式纖維構成的常規纖維增強塑料複合材料混為一談。所述非織造織物複合材料由兩種或多種類型的纖維的摻合組成而不是由一種纖維類型在粘性聚合物熔體中的混合物(其隨後冷卻為用纖維增強的固體塑料)組成。如本文使用的術語「熱塑性聚合物纖維」指的是包含在較高溫度下易於形成的聚合物的任意纖維，因為其粘度隨著增加的溫度單一性減小，並迅速高於熔融溫度。比較而言，熱固性聚合物在加熱時發生化學反應，並且隨後不能被容易地形成。為本發明的目的， 熱塑性聚合物包括但不限於聚丙烯(「PP」)、聚乙烯(「PE」)和聚乳酸。在本專利中提供的纖維的比率為重量分數。因此，混合物中50 50的纖維A與纖維B之比表示混合物中總質量的50%由纖維A組成，而混合物中總質量的50%由纖維B 組成。本發明中重量比的範圍為從20 80至95 5的椰皮纖維比熱塑性纖維。椰皮纖維越多，非織造織物複合材料氈的密度越低，且非織造織物複合材料氈在其進行熱壓成部件形狀之後的密度越低。在旨在通過熱壓(或者將氈化材料轉化成剛性材料的其它高溫成形方法)製成更高密度、更剛性部件的非織造織物複合材料的一個優選實施方式中，本發明涉及由下述構成的非織造織物複合材料(1)天然纖維，其與熱塑性纖維相比具有相對更高的粘流溫度和/或生物降解溫度，在大致室溫下纏結在一起；和( 具有較低粘流溫度的熱塑性纖維， 其優選由回收材料或由作為可生物降解纖維的熱塑性纖維製造。在優選實施方式中，天然纖維可包含具有相對較大直徑的富含木素的天然纖維諸如椰皮纖維，而熱塑性纖維可以是聚丙烯(「PP」)或聚乙烯(「PE」)或可生物降解纖維諸如聚乳酸(「PLA」)，或者它們的混合物。此類複合材料可用在汽車部件和其它產品諸如通過高溫壓縮模塑製造的那些產品中。在第二優選實施方式中，其中非織造織物複合材料要以低密度、柔軟、柔性形式使用，並且因此無需進行熱壓成剛性部件，富含木素的大直徑纖維諸如椰皮纖維可以單獨使用或少量添加(5-30%)任意其它纖維(不必是熱塑性的，但可以是聚酯纖維諸如PET)，但是優選是具有小直徑的纖維以便於加工，以及更優選第二種天然纖維以製造更環境友好的非織造織物複合材料。如在該第二實施方式中所述的柔性非織造織物複合材料可用於諸如絕緣、 包裝減震或兒童玩具中的填料等應用。富含木素的天然纖維具有一些與眾不同的物理和機械性能，其在特定應用中可以非常有益。首先，富含木素纖維不像更富含纖維素的天然纖維那樣迅速燃燒。第二，富含木素纖維較不易於產生由於黴菌和其它微生物引起的氣味。第三，富含木素纖維當暴露於水時更耐用。例如，與亞麻(2. 8wt% )、劍麻(10wt% )、黃麻(12wt% )、洋麻(15wt% )或棉花(15Wt% )相比，椰皮纖維是含33wt%木素的富含木素纖維。具有較大直徑的纖維對非織造織物複合材料的一些應用也具有優勢。具有較大直徑的纖維彎曲時更硬而且具有更多彈性。其椰將不同地加工成非織造織物，與用均是較小直徑的纖維製造的非織造織物相比，其因纖維硬度而得到較低密度氈化材料。熱壓之後，用包括一些較大直徑纖維的混合物製造的非織造織物與完全用小直徑纖維製造的非織造織物相比也具有低得多的密度。椰皮纖維也具有比大部分天然或合成纖維大得多的平均直徑，相比具有 40 μ m 直徑的大部分天然或合成纖維，其直徑在 150 μ m至約500 μ m的範圍內。椰皮纖維也具有吸引人的機械性能，包括與大部分天然纖維的1-2%的伸長率相比的 15-20%的伸長率。富含木素的纖維(例如椰皮纖維)可被引入兩類非織造織物複合材料中(1)作為氈化或纏結形式的非織造織物複合材料生產和使用的那些複合材料，其是柔軟且柔性的，和( 作為氈化形式的非織造織物複合材料生產但是隨後將在高溫下被模塑成剛性部件或板的那些複合材料。對於將在高溫下模塑成更剛性部件的非織造織物複合材料，與富含木素的天然纖維摻合的第二種類型纖維的粘流溫度(有時稱為熔融溫度)必須低於天然纖維降解時的溫度，並且該降解溫度取決於在加工期間纖維處於最大模塑溫度下的時間長度。較高的模塑溫度可忍受較短時間，而較低模塑時間可忍受較長時間。由聚丙烯、聚乙烯或者兩種單體的共聚物製造的纖維在低於富含木素的纖維諸如椰皮纖維的降解之下的溫度下流動。此外， 由回收材料(recycled materials)製造的這些纖維具有大量供應。如在本發明中，當富含木素的纖維諸如椰皮纖維與從回收材料製造的聚丙烯纖維結合時，所得到的非織造織物複合材料的確是非常環境友好的。I使用天然纖維的非織造織物複合材料在優選實施方式中，本發明包括非織造織物複合材料，其包含至少兩種類型纖維的摻合物，一種纖維具有較高的降解溫度或粘流溫度，而另一種纖維具有較低的粘流溫度。 具有較高的粘流溫度或降解溫度的纖維是天然纖維，優選椰皮纖維，並且可以與一些較高溫度粘性流熱塑性纖維諸如「PET」或聚酯纖維物理混合(諸如在進料鬥中)。具有較低粘流溫度的纖維可以是熱塑性纖維，諸如聚丙烯(「PP」)、聚乙烯(「PE」)、聚乳酸(「PLA」) 或其混合物。因此，所述非織造織物複合材料可包括椰皮纖維、PP和PET的混合物。天然纖維和熱塑性纖維的長度可從約IOmm變化至100mm，優選約25mm至約75mm。 同樣，優選地，天然纖維和熱塑性纖維具有大約相同的長度。熱塑性纖維可具有約30 μ m至約50 μ m的直徑。通過下述方法，不同類型的纖維可以被製成以氈的形式粘著，或纏結在一起 熱粘合
·使用大型烘箱進行固化 通過熱輥壓延(當與紡粘(spunlaid)結合時成為稱為紡粘(spunbond))，壓延機可以是光滑表面的，用於全部粘合，或者可以是壓花的，用於更柔軟、更耐撕裂的粘結 水刺法藉助噴水纖維機械纏結(稱為射流噴網成布) 超聲波提花粘合(Ultrasonic pattern bonding)，通常用於高蓬鬆度或織物絕
緣/床墊/床上用品 針刺氈(Needled felt or needle punched felt):藉助針推動纖維，纖維機械纏結，穿過氈的厚度纖維鋪設在氈的平面中，增加了氈中纖維的粘結 化學粘合(溼法成網法)使用粘合劑(諸如膠乳乳液或溶液聚合物)化學連接纖維。更昂貴的途徑使用軟化或熔融的粘合用纖維或粉末，以將其它不熔融纖維保持在一起 一種棉纖維非織造織物用氫氧化鈉處理以收縮粘合墊，苛性鹼引起纖維素基纖維在彼此周圍捲曲並收縮作為粘合技術 熔噴或空氣梳理(air carding)將兩種或多種類型的纖維隨意鋪設成纏結或氈化材料，所述纖維自空氣抽長的纖維非常弱地粘合，所述纖維在纖維網形成過程中使用自身以及隨著它們隨意鋪設其具有的臨時粘性而互相纏結 一種不尋常的聚醯胺紡粘非織造織物(Cerex)使用氣相酸自身粘合。在本發明的非織造織物複合材料中，有四種優選的方法使兩種或更多種類型的纖維粘結。首先，非織造織物可以被隨意鋪設成鬆散的墊，其中纖維都位於平行平面中。然後，針刺使一些纖維彎曲並將它們部分或全部推動經過墊的厚度，使墊更粘結，賦予其非常適度的拉伸強度但是高柔性用於處理目的，並使其易於壓縮模塑。此類纏結材料也適合絕緣、填料和需要低強度和低密度的其它應用。該方法中的纖維未被真正粘結，而只是被充分地機械纏結，以作為「半機械粘結」起作用。連接纖維的第二種方式也在纖維之間產生弱粘結，再次具有低強度和密度，其使用多種粘合劑，所述粘合劑在空氣梳理纖維過程中可以被噴塗，這使得它們是「粘性的」並在纖維之間產生非常弱的連接，再次使得纏結或氈化材料強度低，但具有高柔性，良好用於絕緣、填料和其它類似應用。第三種方式是熱壓，纖維可以被連接，導致高得多的強度和硬度，製成剛性部件，熱壓引起熱塑性纖維局部熔融並流動，潤溼鄰近的天然纖維，有效地將整個纖維網絡「膠粘」在一起成為剛性網，賦予熱壓部件顯著的強度和硬度。第四種方法通過增強天然纖維與熱塑性纖維之間的粘合賦予非織造織物複合材料最高的強度和硬度。這可以通過使用天然纖維的化學脫垢來完成，例如去除椰皮纖維上存在的蠟質覆層，以及通過使用化學增容劑處理天然或熱塑性纖維來完成；例如使用馬來酐以製造與聚丙烯的接枝共聚物，因為馬來酐可以化學反應而與潔淨的椰皮纖維(但是並非具有蠟質覆層的椰皮纖維)形成強結合，產生的界面強度是所觀察到的聚丙烯和未被清潔的椰皮纖維的三倍。氈化材料仍然必須進行熱壓以達到這種高拉伸強度和硬度，因為熱塑性塑料的流動是增加兩種纖維之間的界面結合所必需的。本發明的非織造織物複合材料可以以纖維、面密度和每種纖維的重量百分比的各種組合來製造，這取決於所需的應用和物理與機械性能的特定類型。對於汽車應用，例如， 後備箱墊較軟，門板適度硬，而儀錶板需要最大硬度。對於不進行熱壓的非織造織物複合材料(例如建築物絕緣、包裝減震)，根本不必使用熱塑性纖維而且天然纖維的降解溫度較不重要，因為不需要高溫加工。II使用天然纖維生產非織造織物複合材料的方法在進一步優選的實施方式中，本發明包括使用具有較高粘流溫度的纖維和較低粘流溫度的纖維生產非織造織物複合材料的方法。較高熔點纖維是優選富含木素的大直徑天然纖維，更優選椰皮纖維。該方法包括下述步驟(1)獲得具有足夠高的粘流溫度和降解溫度並具有合適的硬度、強度和延展性組合的天然纖維(見圖幻；(2)將該較高熔點纖維研磨成由待要使用的加工設備確定的所需的纖維長度，以便隨後製造氈化材料，在開發本發明中使用的梳理和針刺設備中該纖維長度為50-75mm(圖幻；(3)混合該具有較高粘流溫度的磨碎天然纖維與熱塑性纖維，該熱塑性纖維已經被切割成類似長度並具有較低的粘流溫度；(4)使用梳理和針刺、如前面所述的使用輕量粘合劑的空氣梳理或其它任何合適的工藝，從摻合的纖維產生纏結(或氈化)材料(圖4和5)；以及如果需要，(5)在壓模機中使用模具(賦予部件所需的形狀)熱壓氈化材料，其中氈化材料處於合適的溫度和壓力下，因此非織造織物複合材料呈現特定部件所需的剛性形狀(圖6)。將非織造織物複合材料氈熱壓成剛性部件的最關鍵參數是壓制溫度。當PP片使用熱成型來成形時，其通常在165°C與180°C之間的溫度下形成，因為所使用的PP是全同立構、半結晶聚合物，其結晶區在該溫度範圍熔融。當晶體熔融時，粘性流僅可以在半結晶PP 中容易地發生，而且在各種全同立構PP中這發生在165°C與180°C之間。實際上，在170°C 與180°C之間，PP的粘度降低500因子，其性質從硬的橡膠狀固體變成粘性液體3。如果在太低的溫度下壓制，則晶體使得永久形狀變化(通過粘性變形)難於產生。如果在太高的溫度下壓制(在文獻中通常被認為> 180°C )，則所產生的低粘度引起相當大的塌陷(流掛， sagging)。因此，人們可能假定，對於壓縮模塑含聚丙烯纖維作為較低粘流溫度組分的非織造織物複合材料氈而言，該溫度範圍是最佳的。令人驚訝地，這已經證實並非是這種情況。壓縮模塑由椰皮纖維和聚丙烯纖維製造的非織造織物複合材料氈的適宜溫度和壓力取決於應用以及最佳適合應用的機械和物理性質組合。對於需要絕熱或隔音的一些應用，可直接使用氈，而無需熱壓，並且氈的椰皮纖維含量可以非常高(80 20至95 5)，與椰皮纖維摻合的纖維也是天然纖維，其具有較低直徑(優選 20% )，更優選椰皮纖維。在將進行熱壓的非織造織物複合材料的優選實施方式中，具有較低粘流溫度的纖維是熱塑性纖維，優選石油基聚合物纖維，最優選聚丙烯(PP)。實施例1第一實施例涉及非織造織物複合材料的壓模部件，該非織造織物複合材料使用富含木素的大直徑天然纖維和粘流溫度顯著低於該天然纖維的降解溫度的熱塑性塑料。非織造織物複合材料氈的生產-將天然纖維和熱塑性纖維切割成取決於待用於製造非織造織物複合材料氈的設備的長度，通常長度在25mm與75mm之間。將這兩種類型的纖維摻合在一起成為天然纖維和熱塑性纖維的混合物。天然纖維與熱塑性纖維之比可以是按重量計50 50，但是可以在 20 80至95 05的範圍內，這取決於所需的機械性能組合。氈(或墊)形式的非織造織物複合材料可以從摻合纖維製造，使用梳理和針刺以將梳理層粘合在一起，或者使用空氣梳理，使用輕量噴塗的粘合劑將纖維粘合在一起。所述氈可以以多達1.5-2. Om的寬度(或者更多，取決於所使用的設備)和便於運送的任意長度生產。例如，可以生產an寬乘以:3m 長的墊，堆疊在滑板(skids)上並收縮卷繞用於運送。可選地，可以做成用於運送的方便尺寸(例如，1.5m寬乘以IOOm長)的卷並收縮卷繞用於運送。因為纖維僅僅通過針刺或非常輕量粘合劑被保持在一起，以這些方式製造的非織造織物複合材料的氈非常柔軟，允許其以適合運送的捲來生產，而且更重要地，其具有必要的柔韌性，以便當隨後在熱塑性纖維的粘流溫度與天然纖維的降解溫度之間的高溫下進行熱壓時呈現模的形狀。重要的是注意在生產非織造織物複合材料氈的過程中纖維不被加熱(除非使用非常適度的加熱來固化噴塗粘合劑或以一些其它方式施加的粘合劑以使纖維粘著，代替使用針刺賦予氈相當的內聚力)。應當注意，在缺乏壓力下加熱氈化材料至熱塑性纖維的熔融溫度以增加纖維之間的粘合從而增強氈的粘結力是不必要的，這將降低氈的柔韌性，並且在加工上將引起不必要的花費。在針刺之後在熱壓之前非織造織物複合材料氈的堆積密度通常在0. 1與0. 2g/ cm3之間。在高溫下將氈隨後熱壓成剛性部件之後，成品織物可以被加至氈化材料，以生產美觀上更令人愉快的部件。成品織物通常是 200g/m2，並且在氈隨後被壓縮模塑的溫度下不應當降解，因為其通常是純聚酯。非織造織物複合材料壓縮模塑成部件-隨後從卷切割合適尺寸的非織造織物複合材料氈片並加熱至合適的溫度——該溫度高於熱塑性纖維容易表現粘性流時的溫度(對於聚丙烯，> 180°C )但低於天然纖維的降解溫度(對於椰皮纖維，其為 M0°C，取決於溫度下的時間)，並使用合適的模具熱壓成所需的形狀。在缺乏壓力下加熱至180°C產生的聚丙烯纖維流動不足以增加密度或將隨機定向的非織造纖維連接成剛性網。因此，例如，對於與聚丙烯纖維摻合的椰皮纖維，溫度範圍為約180°C至約M0°C，優選地，從180°之上至約。壓縮模塑壓力可以在約25psi 至約400psi或更大的範圍。所採用的溫度與壓力的特定組合取決於賦予特定一組物理和機械性能所需的熱壓密度。壓模非織造織物複合材料部件的的密度通常在0. 3與0. 7gm/ cm3之間，這取決於溫度、壓力和在加工中所用的壓力下的時間的組合。機械、熱和聲性質都隨密度顯著變化，通過選擇合適的加工條件這允許所述性質適合特定應用的需要，如在圖9 和10中所見。例如，汽車後備箱墊可以用面密度為1000g/m2的氈形式的椰皮纖維和聚丙烯纖維的非織造織物複合材料製造，該氈隨後已經被壓縮模塑成2mm厚度和0. 5g/cm3密度。 汽車的儀錶板可以用面密度為2000g/m2的椰皮纖維和聚丙烯纖維的非織造織物複合材料氈製造，該氈已經被壓縮模塑成3. 4mm的厚度和0. 6g/cm3的堆密度，這取決於具體設計以及所需的物理和機械性能組合。如果期望，在熱塑性纖維的製造過程中可以加入工業著色劑或染料，以賦予非織造織物複合材料氈一定的顏色。優選的富含木素的大直徑天然纖維是椰皮纖維，優選的熱塑性纖維是用於汽車後備箱墊的聚丙烯。這兩種纖維可以進行摻合，作為非織造織物生產，該非織造織物然後被針刺以增加非織造織物複合材料氈的粘結力，如上所述。其隨後可以在合適的溫度和壓力下熱壓成多種汽車用產品(例如，後備箱墊、門板、儀錶板、車頂內襯、組合支架(package carriers)、底板、擋泥板等)以及通過熱壓該非織造織物複合材料而生產的其它產品，諸如卡車和拖拉機駕駛室的內部或兒童玩具。已經由非織造織物複合材料氈熱壓的汽車部件見圖8。實施例2第二實施例涉及可以從(1-12. 5mm或可能更厚)非織造織物複合材料剛性片材製造的產品，其使用富含木素的大直徑天然纖維(例如椰皮纖維)並結合熱塑性纖維(例如聚丙烯)。使用在實施例1中所述的方法，非織造織物複合材料氈由富含木素的大直徑天然纖維如椰皮纖維和熱塑性纖維如聚丙烯製造，所述聚丙烯具有充分低於椰皮纖維的降解溫度的粘流溫度。所述由天然纖維和熱塑性纖維製造的非織造織物複合材料氈(或墊)使用壓力和溫度的組合可以被壓成平坦的剛性片材(與在壓縮模塑中製造的更複雜形狀不同)，以獲得將產生所需的機械和物理性質組合的密度，如前所述。該平坦的非織造織物複合材料片材可用於建築材料，諸如牆板、天花板、家具和其它應用，其需要具有中等強度和硬度和/或低聲音傳遞係數以及低導熱性的輕質複合材料。實施例3第三實施例涉及可以用已經使用富含木素的大直徑天然纖維(例如椰皮纖維)製造非織造織物複合材料氈製造的產品，但是其中所述氈不在高溫和壓力下加工以製造剛性複合材料如實施例1和2所述的那些。非織造織物複合材料氈主要(> 80% )由富含木素的大直徑天然纖維製造。如果所述氈被空氣梳理，其中纖維通過噴塗粘合劑而被保持在一起，則該氈可以由100%富含木素的天然纖維(例如椰皮纖維)製造。如果所述非織造織物複合材料由富含木素的大直徑(150-500um)纖維如椰皮纖維製造，則氈可以通過梳理和針刺生產，但是可能需要0-20% 具有較小直徑( 40um)的天然纖維，諸如洋麻，所述天然纖維更柔韌並且在針刺以穿透經過厚度過程中容易彎曲，賦予氈粘結性。所述氈不必包括熱塑性纖維，因為對於這些應用， 如在實施例1和2中進行的熱壓以產生高密度剛性材料是不合需要的。為熱塑性塑料的較少量( 5%)的第三種纖維可以被引入以熔化然後將兩種天然纖維粘結在一起，這將需要加熱至熔化第三種纖維所需的溫度，但並非熱壓。在這種應用中，重點在於產品要求非常低的導熱性、低的聲音傳遞係數和/或高水平減震用於能量吸收。非常低密度的機織織物複合材料達到這些性質；也就是說，氈隨後不會在較高溫度和壓力下被加工成較高密度的剛性材料。富含木素的主要(或專有地)為大直徑的天然纖維如椰皮纖維的非織造織物複合材料的應用包括建築物/住宅絕緣、總布置包裝(packing for packaging)和汽車中的引擎(under-the-hood)應用。實施例4本專利的一種應用是用於汽車工業的複合材料。具體而言，後備箱墊、卡車裝飾、 卡車罩內襯、門板和地墊都是可以開發的潛在應用，如在下面所述。每種部件可能需要不同的強度和硬度，因此需要所使用的兩種纖維的百分比稍微不同OO 80至80 20)以及熱壓溫度不同O00°C-23(rC)，以達到所需的不同性質。這種多功能性是本發明的另一優勢。在該實施例中，在摻合過程中使天然椰皮纖維與石油基聚丙烯(PP)纖維結合(圖 3)，該過程產生摻合但非織造椰皮纖維和PP纖維的墊(圖3)，其面密度為lOOOg/cm2。椰皮纖維限於約對01的熱壓溫度，這取決於氧化降解的熱壓時間。聚丙烯纖維具有較低的粘流溫度，其粘度在170°C與180°C之間顯著降低500X，因為該半結晶聚合物中的晶體熔融。如前所述，180°C或更少是片狀聚丙烯的通常的熱成型(或熱壓)溫度。這種溫度限制是由於高於180°C時PP片中的塌陷問題(sag issues)。然而，如前面所解釋的，該溫度太低以至於不能製造具有合適的強度和硬度組合的PP:椰皮纖維非織造織物複合材料， 因為在180°C，存在相對很少的PP纖維流動，如在圖7所見，其中顯示220°C下的流動進行比較。注意在180°C無任何壓力時，將椰皮纖維牢固結合成堅硬的網所必需的聚丙烯纖維流動非常少。對於該應用，PP粘度足夠低是必要的，不僅僅是使PP纖維在100至150psi的中等壓力下流動。此外，PP纖維的流動必須是足夠的以潤溼椰皮纖維，從而有效地將椰皮纖維「膠粘」在一起，產生具有適度強度和硬度的網結構。流動的程度可以通過增加熱壓溫度來增加，如在圖7所見，其中PP在180°C的流動程度可以與PP在220°C的流動程度進行比較。在180°C下熱壓的樣品的強度和硬度比在220°C下熱壓的樣品小得多(見圖7)。在商業生產中，在圖4和圖8中所見的纏結材料(穿過底部的條)被壓成汽車部件，如在圖8中所呈現的後備箱墊和門板。纏結材料在爐中被加熱至規定的熱壓溫度，然後放置進熱壓單元中，該熱壓單元具有產生所需的部件形狀的模具。通常，模具表面也被加熱，但是加熱至比所述規定熱壓溫度低的溫度，以便於更迅速冷卻和降低循環時間。加熱的材料也可在冷模中壓制。僅用一種類型的纖維製造的薄的成品非織造織物可使用縫紉連接至纏結的纖維摻合物，如圖4所見，所述纖維具有比待使用的熱壓溫度高的粘流溫度。在熱壓過程中，這種機織織物未受影響，但是變得甚至更牢固地連接至熱壓複合材料，這是因為在成品織物與複合材料襯背之間的界面上的PP流動。得到的板中等硬度，具吸引人的織物整理，因此該熱成形部件準備被安裝到汽車中，而無需進一步加工。引用的參考文獻下列參考文獻通過參考特定併入本文，其程度如同它們提供示例性步驟或其它細節，對本文所述的那些進行補充。美國專利文件美國專利6，939，903，2005年9月6日授權，Sigworth等列為發明人。美國專利6，682，673，2004年1月27日授權，Skwiercz列為發明人。美國專利6，648，363，2003年11月18日授權，Gordon列為發明人。美國專利5，948，712，1999年9月7日授權，Tanab列為發明人。美國專利5，709，925，1998年1月20日授權，Spengler列為發明人。美國專利5，976，646，1999年11月2日授權，Stevens列為發明人。美國專利公布2008/0081188,2008年4月3日授權，Chang列為發明人。美國專利公布2007/0116923,2007年5月24日公布，Kasuya列為發明人。美國專利公布2004/0185239，2004年9月23日公布，Nakamura列為發明人。非專利文件1. Polymer Data Handbook. , Editor :Mark, James E. (New York :0xford University Press),1999.2. Polymer Handbook, 4th Edition, Editors :J. Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Grulke. (New York John Wiley & Sons，Inc), 1999.3. Throne, Jim, "Let' s Thermoform Polypropylene", A Technical Minute. Copyright 2007 Sherwood Technologies, throneifoammandform. com.4. Parikh, D.V. et al. 「Thermoformab1e automotive composites containing kenaf and other cellulosic fibers，，Textile Research Journal, August 2002.
權利要求
1.一種非織造織物複合材料，其包含天然纖維和由合成熱塑性聚合物製造的纖維，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維纏結在一起，並且其中所述天然纖維的粘流溫度和降解溫度高於所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維的粘流溫度和降解溫度。
2.如權利要求1所述的非織造織物複合材料，其中所述天然纖維已與聚酯纖維混合。
3.如權利要求1所述的非織造織物複合材料，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維的長度為約25mm至約75mm。
4.如權利要求1所述的非織造織物複合材料，其中所述天然纖維的直徑是約150μ m至約 500 μ m。
5.如權利要求1所述的非織造織物複合材料，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維使用以下方式纏結在一起梳理和針刺、旋風氣流沉積、化學處理、熱處理或溶劑處理。
6.如權利要求1所述的非織造織物複合材料，其中所述天然纖維具有約33wt.%的木素含量。
7.如權利要求1所述的非織造織物複合材料，其中所述天然纖維是椰皮纖維。
8.如權利要求1所述的非織造織物複合材料，其中所述合成熱塑性聚合物是聚丙烯、 聚乙烯、聚乳酸或其混合物。
9.如權利要求1所述的非織造織物複合材料，其中所述合成熱塑性聚合物是聚丙烯。
10.如權利要求1所述的非織造織物複合材料，其中所述天然纖維與所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維的重量比是約95 5至約20 80。
11.一種非織造織物複合材料，其包含椰皮纖維和由合成熱塑性聚合物製造的纖維，其中所述椰皮纖維和所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維纏結在一起；所述椰皮纖維具有約150 μ m至約500 μ m的直徑以及約25mm至約75mm的長度；和所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維是直徑為約30 μ m至約50 μ m且長度為約25mm 至約75mm的聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸或其混合物。
12.一種熱壓非織造織物複合材料，其包含天然纖維和由合成熱塑性聚合物製造的纖維，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維纏結在一起並進行熱壓，並且其中所述天然纖維的粘流溫度和降解溫度高於所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維的粘流溫度和降解溫度。
13.如權利要求12所述的熱壓非織造織物複合材料，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維的長度為約25mm至約75mm。
14.如權利要求12所述的熱壓非織造織物複合材料，其中所述天然纖維的直徑是約 150 μ m 至約 500 μ m。
15.如權利要求12所述的熱壓非織造織物複合材料，其中所述天然纖維具有約 33wt. %的木素含量。
16.如權利要求12所述的非織造織物複合材料，其中所述天然纖維是椰皮纖維。
17.如權利要求12所述的熱壓非織造織物複合材料，其中所述天然纖維是椰皮纖維。
18.如權利要求12所述的熱壓非織造織物複合材料，其中所述合成熱塑性聚合物是聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸或其混合物。
19.如權利要求12所述的熱壓非織造織物複合材料，其中所述合成熱塑性聚合物是聚丙烯。
20.如權利要求12所述的熱壓非織造織物複合材料，其中所述天然纖維與由所述合成熱塑性聚合物製造的纖維的重量比是約95 5至約20 80。
21.如權利要求12所述的熱壓非織造織物複合材料，其中所述纏結的天然纖維和由合成熱塑性聚合物製造的纖維在約180°C至約240°C及更高範圍內的溫度進行熱壓。
22.如權利要求12所述的熱壓非織造織物複合材料，其中所述纏結的天然纖維與由合成熱塑性聚合物製造的纖維在約25psi至約400psi及更高範圍內的壓力下進行熱壓。
23.一種熱壓非織造織物複合材料，其包含 椰皮纖維和由合成熱塑性聚合物製造的纖維， 其中所述椰皮纖維和所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維纏結在一起並進行熱壓； 所述椰皮纖維具有約150 μ m至約500 μ m的直徑以及約25mm至約75mm的長度；和所述由合成熱塑性聚合物製造的纖維是直徑為約30 μ m至約50 μ m且長度為約25mm 至約75mm的聚乙烯、聚丙烯或聚乳酸。
24.一種製造非織造織物複合材料的方法，其包括獲得天然纖維，所述天然纖維具有足夠高的粘流溫度和降解溫度，具有合適的硬度、強度和延展性的組合；將所述較高熔點的天然纖維研磨成所需的纖維長度；將經研磨的天然纖維與熱塑性纖維混合，其中所述熱塑性纖維切割成與天然纖維長度類似的長度，並且其中所述熱塑性纖維的粘流溫度低於所述天然纖維的粘流溫度和降解溫度；使用梳理和針刺、用輕膠噴塗的纖維的氣流沉積或其它方法，由所述混合的纖維產生纏結或氈化的材料，以提供纏結的非織造織物複合材料。
25.如權利要求M所述的方法，其中將所述天然纖維剝除其蠟質覆層，並且用化學增容劑處理所述天然纖維或所述熱塑性纖維以產生接枝共聚物。
26.如權利要求M所述的方法，其中所述天然纖維已與聚酯纖維混合。
27.一種製造熱壓非織造織物複合材料的方法將權利要求M所述的纏結的非織造織物複合材料使用模具在壓模機中在合適的溫度進行熱壓，由此使所述非織造織物複合材料變成具有所述模具形狀的剛性部件。
全文摘要
本發明公開了一種含天然纖維的非織造織物複合材料及生產此類複合材料的方法。所述非織造織物複合材料由具有高粘流溫度和高降解溫度的富含木素的大直徑天然纖維與由熱塑性聚合物製成的具有較低粘流溫度的纖維組合構成，所述熱塑性聚合物諸如聚丙烯、聚乙烯或可生物降解的熱塑性聚合物纖維(諸如聚乳酸)、或者它們的混合物。本發明還公開了一種由所述非織造織物織物複合材料製造的熱壓非織造織物複合材料。
文檔編號D04H1/42GK102239284SQ200980148712
公開日2011年11月9日 申請日期2009年10月6日 優先權日2008年10月6日
發明者戴維.S.格裡爾, 沃爾特.布拉德利 申請人:貝勒大學